Svarta hålens tio i topp

AKTUELL FORSKNING Svarta hålens tio i topp Alla har hört talas om de svarta hålen mystiska objekt där naturens lagar sätts ur spel. Men av de svarta hål som astronomerna känner till, vilka kan man kalla de allra häftigaste i universum? Här presenteras den definitiva svartlistan. Det är få astronomiska objekt som väcker lika stor uppmärksamhet som de svarta hålen. Men vad är ett svart hål egentligen? Som ett exempel kan vi ta vår egen planet. Om man står på jordytan och hoppar rakt upp, så kommer jordens dragningskraft att se till att man landar igen. Gravitationens styrka bestäms av jordens massa och avståndet till dess medelpunkt. Om vi från jordytan vill övervinna gravitationen och lämna jorden måste vi få en hastighet på hela 11 kilometer i sekunden en enorm fart för en människa, men ingen match för ljuset som färdas i 300 000 km/s. Om vi nu tänker oss att hela jordklotet pressas ihop till ungefär en golfbolls storlek, då skulle gravitationen på jordytan bli så stark att inte ens ljuset skulle kunna ta sig därifrån: jorden skulle bli ett svart hål. Eftersom ljushastigheten är den största möjliga hastigheten kan ingen information från ett svart hål nå resten av universum. Gränsen mellan det svarta hålet och resten av universum kallas därför händelsehorisont, och dess radie kallas Schwarzschildradie (efter den tyske fysikern Karl Schwarzschild). Eftersom Schwarzschildradien bara beror på massan kan man faktiskt räkna ut den för vilket föremål som helst; jordens blir ca 3 cm och solens ca 3 km. De flesta föremål, däribland både jorden och solen, är betydligt större än sin händelsehorisont och därmed inga svarta hål. Ett svart hål blir då helt enkelt ett föremål som är mindre än sin händelsehorisont. Finns de på riktigt? Kan man då tänka sig att det finns svarta hål, och hur bildas de i så fall? Faktum är att dessa frågor inte på något sätt är nya redan på Newtons tid diskuterade man möjligheten att vissa objekt hade så mycket massa att inte ens ljuset kunde ta sig därifrån. Denna möjlighet sågs nog som ganska hypotetisk, och idéerna föll lite i glömska. Men i 10 populär Astronomi Nr 2 2008

B i ld: NASA/J PL-caltech början av 1900-talet dök de upp igen. I och med Einsteins relativitetsteori hade ljuset fått en begränsad hastighet, och snart insåg man att det teoretiskt skulle kunna fångas in av gravitationen. Nästa steg kom på 1930-talet, då man studerade slutfasen i tunga stjärnors liv. Under huvuddelen av en stjärnas livstid balanseras dragningskraften, som vill pressa ihop stjärnan, av strålningstryck som skapas av kärnförbränningen i stjärnans inre. När stjärnan slutat förbränna kärnbränsle och slocknar finns inte längre något som motverkar gravitationen. Stjärnan kommer då att kollapsa och ge upphov till en spektakulär explosion en supernova. Samtidigt kommer de innersta delarna att pressas samman så mycket att vi inte känner till något som kan motverka gravitationen. Resultatet blir ett svart hål. Rent teoretiskt är svarta hål enkla objekt. Men finns de verkligen? Idag har astronomerna funnit många tecken på att svarta hål inte bara är teoretiska påhitt, utan faktiskt existerar. Eftersom man inte kan observera dem direkt är de inte lätta att hitta, och förmodligen har vi bara upptäckt en liten del av dem som finns därute. För att något ska kvalificera sig som ett svart hål måste det vara något som har stor massa på ett mycket litet område. I flera fall har man observerat objekt som är så små och tunga att vi idag inte känner till någon form av materia som de skulle kunna bestå av. Vår enda förklaring är att det handlar om svarta hål. Innan vi ger oss av på jakt efter de häftigaste händelsehorisonterna i universum kan det vara på sin plats att reda ut en vanlig missuppfattning kring svarta hål. När man talar om starka gravitationsfält kring svarta hål menar man inte att gravitationen kring ett svart hål på något sätt skulle vara extra stark eller speciell. Svarta hål är inte dammsugare som slukar allt i sin omgivning. Om solen helt plötsligt omvandlades till ett svart hål skulle det bli väldigt mörkt och kallt här på jorden, men solens dragningskraft skulle förbli densamma och jordbanan skulle inte ändras. Det som utmärker svarta hål är att massan är ihopträngd på en så liten volym att vi kan komma väldigt nära. Och eftersom gravitationen blir starkare ju närmare massan Nr 2 2008 populär Astronomi 11

AKTUELL FORSKNING B i ld: ESA/M. Kornmesse r vi kommer kan vi uppleva väldigt stark gravitation innan vi når händelsehorisonten och tappar kontakt med resten av universum. Detta gör svarta hål väldigt intressanta för forskare, eftersom man med lite tur kan studera hur materia och rumtiden beter sig i starka gravitationsfält. Inga andra objekt i universum ger oss möjlighet att studera fysikens lagar i så extrema miljöer. Med detta beger vi oss ut på jakt efter svarta hål, och vi behöver inte färdas särskilt långt innan vi hittar vårt första. Vi börjar redan i vår egen galax B I LD: Y. G rosdidier/a. Moffat/A. Ack e r/nasa Illustrationen visar hur ett dubbelstjärnesystem med ett svart hål, som till exempel Cygnus X-1, kan tänkas se ut. Massa från den vanliga stjärnan (till vänster) fångas in av det svarta hålets dragningskraft och bildar en insamlingsskiva kring det svarta hålet (till höger i bilden). Här hettas materien upp till över en miljon grader och skickar då ut röntgenstrålning. Genom att studera denna strålning kan astronomerna få ledtrådar till hur materien beter sig i det starka gravitationsfältet nära det svarta hålet. 1. Cygnus X-1 astronomernas favorit På 1960-talet började man studera kosmisk röntgenstrålning. Eftersom atmosfären skyddar oss mot denna strålning skickade man upp instrumenten på raketer. 1965 upptäckte man på detta sätt en stark röntgenkälla i Svanens stjärnbild, som fick namnet Cygnus X-1 (där X:et kommer från engelskans X-ray). Vidare undersökningar av området ledde till att man konstaterade att man hittat ett dubbelstjärnesystem, där en blå superjätte kretsade kring ett väldigt litet objekt som skickar ut röntgenstrålning. Dubbelstjärnesystem är mycket vanliga i universum, och vad gäller svarta hål har de visat sig mycket användbara. Om man vet den ena komponentens massa och systemets omloppstid, så kan man relativt enkelt uppskatta den andra komponentens massa och systemets radie. Det visar sig att i fallet med Cygnus X-1 är röntgenkällan så tung, ca 10 solmassor, att den enda förklaring vi har är att den är ett svart hål. Eftersom stjärnor lever kortare tid ju mer massa de har tror man att systemet från början bestod av den blå superjätten och en ännu tyngre stjärna. Den tunga stjärnan gjorde slut på sitt kärnbränsle först, och i den följande supernovaexplosionen bildades det svarta hålet som vi ser idag. Cygnus X-1 är en av de starkaste kosmiska röntgenkällorna på himlen, och därför flitigt studerad. Mycket av det vi tror oss veta om svarta hål i dubbelstjärnesystem har tillkommit genom studier av just Cygnus X-1, och den har fått stå modell för det typiska svarta hålet. Massa: ca 10 solmassor. Avstånd: ca 6 500 ljusår. Denna bild av en Wolf-Rayet-stjärna (dock inte den i Cygnus X-3) visar tydligt de kraftiga stjärnvindarna. Röntgenkällan i Cygnus X-3 rör sig inuti ett sådant moln, vilket gör den mycket svårstuderad. 2. Cygnus X-3 ett gåtfullt mysterium Bara några år efter att Cygnus X-1 hittats upptäcktes Cygnus X-3, den tredje röntgenkällan i Svanens stjärnbild (den andra, Cygnus X-2, visade sig vara en neutronstjärna). Men till skillnad från sin granne har Cygnus X-3 visat sig allt annat än samarbetsvillig i forskarnas strävan efter kunskap. Studier tyder på att stjärnan i systemet är en så kallad Wolf Rayet-stjärna. Det är slutstadiet av en väldigt tung och het stjärna och innebär att stjärnan håller på att kasta av sig sina yttre lager. Det gör att hela systemet är insvept i en kraftig stjärnvind, som gör detaljerade mätningar av exempelvis röntgenkällans massa svåra. Det är därmed inte helt fastställt att det faktiskt är ett svart hål, även om 12 populär Astronomi Nr 2 2008

mycket pekar på det. Man har dock lyckats mäta systemets omloppstid till 4,8 timmar, vilket med största sannolikhet innebär att röntgenkällans bana ligger innanför Wolf Rayet-stjärnans yttersta atmosfär. Cygnus X-3 är det enda exemplet vi hittat i vår galax på en dubbelstjärnesystem med en Wolf Rayet-stjärna och ett svart hål. Nyligen upptäcktes två liknande system i andra galaxer, men de är mycket ovanliga. Något som gör dessa system extra intressanta är att Wolf Rayet-stjärnorna snart, kanske vilket århundrade som helst, kan få slut på kärnbränsle och explodera som supernovor. Kvar i systemet kan då bli en neutronstjärna och ett svart hål, ingredienserna som kan ge upphov till en kort gammablixt. Massa: osäker, men troligen ca 30 solmassor. Avstånd: 37 000 ljusår. 3. SS 433 en doldis i korkskruvslockar Inte ens ett svart hål kan ta emot obegränsat med materia på en gång, och det visar sig att det finns en gräns för hur mycket infallande materia som kan omvandlas till röntgenstrålning. Om mer materia än så faller in kan resultatet bli kraftiga vindar från insamlingsskivan. Dessa utflöden ger upphov till strålning i infrarött ljus eller radiovåglängder. Ett mycket vackert exempel är SS433, som har ett mycket kraftigt utflöde. Precis som föregående objekt är det fråga om ett dubbelstjärnesystem, där ett svart hål och en vanlig stjärna kretsar kring varandra. I fallet med SS433 döljs de inre delarna av insamlingsskivan, och därmed det svarta hålet, av det kraftiga utflödet. Det gör att systemet inte ser ut att vara en särskilt stark röntgenkälla. När SS433 först upptäcktes trodde man istället att det rörde sig om en neutronstjärna, men senare studier har bekräftat att massan är tillräckligt stor för att det ska vara ett svart hål. Massa: ca 16 solmassor. Avstånd: 16 000 ljusår. Bilden visar en observation av radiostrålning från SS 433, och det starka utflödet från systemet framträder då tydligt. Den speciella strukturen uppkommer eftersom insamlingsskivan inte ligger i samma plan som det svarta hålets omloppsbana. Det gör att den precesserar, och utflödet kommer då att bilda det vackra korkskruvsmönstret som syns på bilden. Man har nu upptäckt denna typ av rörelse i insamlingsskivor även i andra system, men ingenstans är det mer tydligt än i SS 433. Bild: Blundell & Bowler, NRAO/AUI/NSF B I LD: N R AO 4. GRS 1915+105 snabbare än ljuset? Utflöden från svarta hål sker inte bara för att det kommer in för mycket massa. Mer vanligt är tunna strålar som skickas ut ifrån den allra innersta delen av insamlingsskivan, och de kallas jetstrålar. Observationer har visat att alla svarta hål som har en insamlingsskiva verkar ha mer eller mindre kraftiga jetstrålar, som skickar ut radiostrålning. Fortfarande vet man dock inte hur materien i jetstrålarna slungas iväg, eller hur den kollimeras till så tunna strålar. Noggranna observationer av jetstrålarna visar att de inte är ett jämnt flöde av materia, utan snarare en oregelbunden ström av klumpar (eller kanske chockvågor). Genom att göra observationer av radiostrålningen med några dagars mellanrum kan man följa hur dessa klumpar rör sig från systemets centrum och utåt. Sådana observationer gjorde astronomerna Felix Mirabel och Luis Rodríguez 1994 av jetstrålarna från det svarta hålet GRS 1915+105, och resultaten publicerades i tidskriften Nature. Anledningen till uppmärksamheten var att mätningarna visade att klum- Denna bild visar en serie observationer av radiostrålning från klumpar av materia som rör sig ut från GRS 1915+105. Tidsaxeln går uppåt i bilden. Vid första anblicken verkar materien röra sig snabbare än ljushastigheten, men efter korrektion för relativistiska effekter blir den uppmätta hastigheten ca 90 procent av ljushastigheten. Nr 2 2008 populär Astronomi 13

Ett svart hål göms i Vintergatans centrum. Den oregelbundna röntgenstrålningen tros uppkomma när gas eller annan materia kommer för nära och faller in i det svarta hålet. Fortfarande vet man inte hur dessa supertunga svarta hål kan ha uppkommit. Några menar att de bildas genom gradvis sammanslagning av flera mindre svarta hål, andra att det funnits redan innan galaxen bildats och vuxit i takt med att materia från galaxens inre delar fallit in. B I LD: NASA/CXC/M IT/ F. K. Baganoff m. fl. BILD: NASA/SAO/G. Fabbiano m. fl. I mitten av denna bild på M 82 finns den röntgenkälla som pekats ut som ett mellantungt svart hål. Om det stämmer kan det svarta hålet inte ha bildats vid en kollaps av en tung stjärna så tunga stjärnor finns inte. Istället tror man att det svarta hålet kan ha bildats då många stjärnor kolliderade i en stjärnhop, eller vara ett litet svart hål som gradvis vuxit sig större. Men fortfarande finns många som tvivlar på att massan är så stor som 500 solmassor. parna i jetstrålarna rörde sig med en hastighet som såg ut att överstiga ljushastigheten! Eftersom det anses teoretiskt (och praktiskt) omöjligt, så måste en annan förklaring ligga bakom dessa resultat. Lösningen på problemet stod att finna i relativitetsteorin. När föremål rör sig med en hastighet som börjar närma sig ljusets, så kommer ljus som skickas ut mot en fjärran observatör att påverkas av geometriska effekter. Konsekvensen blir att föremålet kan se ut att röra sig snabbare än det gör. Denna effekt hade föreslagits för att förklara fenomen i jetstrålar från andra galaxer, men GRS 1915+105 var den första källan i vår egen galax där den kunde påvisas. Massa: ca 14 solmassor. Avstånd: 40 000 ljusår. 5. Sagittarius A* Vintergatans hjärta I hjärtat av vår egen galax, Vintergatan, finns en röntgenkälla som oregelbundet slås på och av. Något lurar därinne, men vi kan inte se vad ens med våra skarpaste teleskop. Vi kan däremot se att det påverkar banorna hos närliggande stjärnor de kretsar kring något osynligt. Genom att mäta stjärnornas banor får vi fram en massa på det osynliga objektet: 3,7 miljoner solmassor! Röntgenkällan ligger i Skyttens stjärnbild, vid galaxens centrum, och har fått namnet Sagittarius A*. Det är ett supertungt svart hål, och forskarna tror att sådana ligger i hjärtat av många galaxer kanske påverkar de till och med hela galaxens utveckling. Massa: 3,7 miljoner solmassor. Avstånd: 26 000 ljusår. 6. M 82 X-1 500 solar? Vi lämnar nu vår egen galax, på jakt efter mer exotiska svarta hål än de vi hittills hittat, och hamnar i vår granne Cigarrgalaxen, M 82. Här hittades i januari 2006 ett objekt som skickar ut 14 populär Astronomi Nr 2 2008

stark röntgenstrålning, och därmed fick namnet M 82 X-1. Närmare studier visade att det troligtvis rörde sig om ett svart hål liknande de vi sett tidigare i dubbelstjärnesystemen. M 82 X-1 lyser dock så starkt att det inte kan vara fråga om ett vanligt svart hål. Dess ljusstyrka tyder på att det svarta hålet har över 500 gånger mer massa än solen. Om det stämmer innebär det att man hittat en helt ny typ av svarta hål: de mellantunga svarta hålen. Detta är fortfarande kontroversiellt, och det finns många som ännu tvivlar kanske är det bara ett beskedligt svart hål som lyser ovanligt starkt? Massa: ca 500 solmassor. Avstånd: 12 miljoner ljusår. 7. Centaurus A en aktiv granne Det supertunga svarta hålet i Vintergatans mitt visar sig tydligast genom sin påverkan på banorna hos närliggande stjärnor. Många andra galaxer hyser betydligt mindre beskedliga svarta hål. Mycket materia faller in i det supertunga svarta hålet. Dessa galaxers kärnor lyser därför starkt i röntgen, och kallas aktiva galaxkärnor (på engelska används oftast förkortningen AGN active galactic nucleus). Ett praktexempel är Centaurus A, en av våra närmaste aktiva galaxer och en av de ljusstarkaste galaxerna på himlen. Det supertunga svarta hålet i mitten av denna galax tros ha en massa ca 10 miljoner gånger större än solens. En del av materien som faller in mot det svarta hålet slungas ut i enorma jetstrålar och färdas långt bort från själva galaxen. Massa: 10 miljoner solmassor. Avstånd: 14 miljoner ljusår. Bilden av Centaurus A är en sammansättning av observationer i radio, synligt ljus och röntgen. Processen tros likna den som sker runt svarta hål i dubbelstjärnesystem. Stjärnor och gas som faller in mot det supertunga svarta hålet i galaxens mitt bildar en insamlingsskiva runt det. Skivan lyser starkt i röntgenstrålning, och nära det svarta hålet slungas materia iväg i kraftfulla jetstrålar. BILD: NASA/CXC/CfA/R. Kraft m. fl. (röntgen), NSF/VLA/Univ. Hertfordshire/M. Hardcastle (radio) ESA/VLT/ISAAC/M. Rejkuba m. fl. (optiskt) 8. OJ287 en riktig bjässe Kan ett svart hål få hur stor massa som helst? Teoretiskt sett finns ingen övre gräns, och är man filosofiskt lagd kanske man funderar på om inte hela universum kan ses som ett enda svart hål även om det skulle finnas ett utanför universum lär vi inte kunna få kontakt med det. Vi håller oss dock till det vi kan mäta, och hittar en riktig tungviktare. Astronomer under ledning av Mauri Valtonen vid Åbo universitet har haft ögonen på ett system vid namn OJ 287 i flera år. Det sänder ut pulser av strålning ungefär vart tolfte år, och Åboastronomerna har utarbetat en modell där systemet innehåller två supertunga svarta hål som kretsar kring varandra. När det mindre av dessa passerar genom insamlingsskivan kring det större sänds en strålpuls ut. Enligt förutsägelserna skulle nästa passage ske i september 2007. Och mycket riktigt, den 13 september 2007 uppmättes en puls som tycks bekräfta teorin. OJ 287 har därmed rekordet som det tyngsta svarta hål som hittills uppmätts: hela 18 miljarder solmassor! Som alltid finns det dock de som tvivlar. Massa: 18 miljarder solmassor. Avstånd: 3,5 miljarder ljusår. 12 års omloppsbana svart hål med 100 miljoner solmassor flare 10 ljusveckor flare insamlingsskiva svart hål med 18 miljarder solmassor Skiss av hur systemet OJ 287 är uppbyggt. Två svarta hål kretsar kring varandra, och varje gång det mindre passerar igenom insamlingsskivan runt det större ses en puls i strålningen som sänds ut från systemet. Om modellen stämmer kommer de två svarta hålen att kollidera och smälta samman om cirka 10 000 år. En sådan kollision skulle skicka ut starka gravitationsvågor som framtida astronomer på jorden skulle kunna mäta. Bild: Åbo universitet/m. Valtonen Nr 2 2008 populär Astronomi 15

AKTUELL FORSKNING Bild: Canada-france-hawaii telescope corporation 2006 Bild: A. Simonnet, SSU, NASA E/PO Pilen visar på kvasaren CFHQS J2329-0301. Strålningen ser vi tack vare att jetstrålen från det supertunga svarta hålet, det mest avlägsna vi upptäckt, är riktad rakt mot oss. 9. CFHQS J2329-0301 i en galax långt, långt borta Aktiva galaxer som har sin jetstråle riktad rakt mot oss kallar vi kvasarer. Historien om kvasarer börjar redan på 1960-talet, när man upptäckte objekt som såg ut som stjärnor, men vilkas spektra inte alls liknade stjärnors. Man kom till slut på att det var galaxer som låg väldigt långt bort. På grund av universums expansion såg de ut att avlägsna sig från oss med stor hastighet, och deras spektra var därför väldigt rödförskjutna. Anledningen till att de är så ljusstarka att vi ändå kan se dem är just att de är aktiva galaxer med supertunga svarta hål, som skickar ut jetstrålar rakt mot oss. Den mest avlägsna kvasaren hittills upptäcktes för knappt ett år sedan, och fick det långa namnet CFHQS J2329-0301. Den ligger på 13 miljarder ljusårs avstånd, och när vi tittar på den ser vi universum i dess barndom. Massa: ca 500 miljoner solmassor. Avstånd: 13 miljarder ljusår. 10. De urtida svarta hålen Bortom de mest avlägsna kvasarerna är universum mörkt och till synes tomt. Tillräckligt långt tillbaka har inte de första stjärnorna tänts, och universum glöder fortfarande svagt efter stora smällen. Här hittar vi det sista i vår lista, de urtida svarta hålen. I det mycket unga universum var materietätheten mycket hög. Små ojämnheter kan då ha lett till områden med så hög densitet att ett svart hål bildats. Vad har då hänt med dem under universums utveckling? Svarta hål är stabila objekt; eftersom de inte lyser av sig själva förblir de i stort sett oförändrade så länge ingen annan materia i närheten faller in. Det visar sig dock att svarta hål kan dunsta ett ensamt svart hål skickar trots allt ut en svag strålning som kallas Hawkingstrålning. I det tidiga universum skapades sådana urtida svarta hål av många olika storlekar, men de riktigt små har hunnit dunsta bort. För att ett svart hål skall kunna ha överlevt till vår tid måste det bildats med en massa på minst en miljard ton. Det kan låta mycket men med kosmiska mått är det nästan ingenting knappt så mycket som ett me delstort berg här på jorden. Kanske är vi omgivna av dessa ursprungliga svarta hål, men vi har ännu inte sett några tecken på dem. Vår resa till de urtida svarta hålen kanske också ger oss en inblick i universums framtid. Om universums expansion fortsätter kommer alla stjärnor till slut att slockna, och universum blir åter mörkt. Men de svarta hålen, oavsett hur de skapats, kommer att finnas kvar. När ingen materia längre finns i deras närhet slutar de växa, och sakta, sakta börjar de dunsta bort. Den sista ljusblixten som korsar världsrymden kanske är ekot från universums sista svarta hål. Så föreställer sig astronomen och konstnären Aurore Simonnet ett urtida svart hål. Magnus Axelsson är doktorand vid Stockholms universitet. Linnea Hjalmarsdotter är doktorand vid Helsingfors universitet. Båda forskar om svarta hål och deras insamlingsskivor. 16 Populär Astronomi Nr 2 2008